隋先富 王玉 張嶺

摘 要：海上平臺放空火炬有時發(fā)現(xiàn)有冒黑煙現(xiàn)象，帶來了環(huán)保隱患。如何治理黑煙成為很多油田面臨的重要課題。該文從天然氣組分和燃燒機(jī)理分析出發(fā)，深度剖析了天然氣不完全燃燒的原因，并結(jié)合海上油田現(xiàn)狀給出了改善建議。

關(guān)鍵詞：黑煙 火炬 乙炔 天然氣組分

中圖分類號：TE96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0057-03

黑煙是燃料燃燒不充分時產(chǎn)生的固態(tài)碳顆粒的宏觀表現(xiàn)形式[1]。

天然氣由于燃燒不充分引起冒黑煙問題是人們的一個共識，但是為什么會燃燒不充分？產(chǎn)生黑煙的一般條件是什么？如何解決？仍然存在一些認(rèn)識上的分歧，進(jìn)而給油田現(xiàn)場治理黑煙現(xiàn)象帶來了困惑。該文嘗試梳理清楚黑煙問題的真實原因，從而為現(xiàn)場治理黑煙問題提供有用的參考。

1 黑煙成因概述

通常理解燃燒不充分的原因是供氧不足或者重組分含量偏高[2-8]；也有學(xué)者認(rèn)為，炔烴的存在才是引起黑煙現(xiàn)象的根本原因[9]，其他解釋報道較少。具體到現(xiàn)場實施工藝上，可以歸納為以下幾點。

（1）由于油氣分離器分離效率下降，造成油氣分離不凈，天然氣攜帶原油和重?zé)N液滴進(jìn)入火炬放空系統(tǒng)。

（2）原火炬放空管線內(nèi)積液太多。

（3）放空量超過原火炬放空能力。

（4）火炬放空氣熱值不足，火炬放空氣至少需具有7 500～9 300 kJ/m3的熱值才能完全燃燒，否則，必須另外補(bǔ)加燃料。

（5）火炬頭設(shè)計缺陷，火炬氧氣供給不足，導(dǎo)致燃燒不充分。

其中文獻(xiàn)[9]中，作者就乙炔引起黑煙的觀點進(jìn)行了分析。通過室內(nèi)實驗，從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上做了更深入的研究，作者通過觀察甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及汽油（C5-C9烷烴）氣化燃燒的現(xiàn)象，證明空氣中燃燒烷烴不會發(fā)生黑煙現(xiàn)象；換言之，高碳組分并不是產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的充分條件亦非必要條件。

而通過對比乙烷、乙烯和乙炔的燃燒發(fā)現(xiàn)，乙烯有輕微黑煙，乙炔有較濃的黑煙現(xiàn)象；初步判斷了產(chǎn)生黑煙問題的主要原因是炔烴的存在。而通化學(xué)鍵鍵能的分析，指出，本質(zhì)原因是炔烴不飽和化學(xué)鍵的存在，使得其反應(yīng)速率超過其他烴類，從而引起黑煙。

2 炔烴產(chǎn)生的條件

文獻(xiàn)[9]中描述的實驗現(xiàn)象為發(fā)現(xiàn)黑煙的真實原因提供了重要線索，那么天然氣放空燃燒過程中會不會產(chǎn)生炔烴？條件又是什么？

按照這個思路，筆者又進(jìn)行了深入調(diào)研，從工業(yè)制乙炔的工藝技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了一些有用的信息。

利用天然氣制乙炔是一項規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)，很多文獻(xiàn)[10-15]都有描述。

主要工藝有3個：天然氣部分氧化法、電弧法和等離子射流法，其中部分氧化法是應(yīng)用最多，規(guī)模最大的一項工藝。

其機(jī)理就是通過甲烷與氧氣高溫化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物有C2H2、CO2、CO、H2、C和H2O，而C2H2屬于一種中間產(chǎn)物，需要迅速冷卻、收集，否則很快就能進(jìn)一步分解為C和H2；而固體碳顆粒幾乎是反應(yīng)過程中無法避免的副產(chǎn)物。天然氣在反應(yīng)室中于1 500 ℃高溫下化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

天然氣在空氣中燃燒溫度最高能夠達(dá)到2 300 ℃，在氧氣中燃燒最高能夠達(dá)到3 400 ℃，因此，對于放空火炬的天然氣而言，完全能夠?qū)崿F(xiàn)1 500 ℃的溫度要求，另外對于火炬燃燒來講，為防止炭黑生成的“迅速冷卻”條件，一般不具備，所以平臺火炬放空過程中產(chǎn)生中間物乙炔一般是難以避免的，而碳顆粒的產(chǎn)生也是難以避免。

3 重組分含量的影響

關(guān)于重組分含量與黑煙之間是否有必然聯(lián)系存在一定的爭議，文獻(xiàn)[2]中明確指出重組分含量超過6%是發(fā)生黑煙的一個臨界值。雖然文獻(xiàn)[9]給出了不同的觀點，但是考慮文獻(xiàn)[9]中的實驗條件的局限性，重組分含量高的天然氣燃燒時是否通過其他的途徑帶來黑煙或者引發(fā)生成黑煙的條件并無法確定。從油田現(xiàn)場的宏觀顯現(xiàn)看，重組分含量問題引起黑煙的可能還是存在的。文獻(xiàn)[2]給出的案例是例證之一，而海上油田監(jiān)測的實際數(shù)據(jù)也是另外一個例證。

表1和表2分別為渤海JZ1油田和JZ3油田的天然氣組分取樣數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出JZ1油田天然氣組分重組分（C3+）含量總體較高，最大含量30.42%，最小5.18%，平均11.2%；而JZ3天氣然中重組分含量較低，多在2%以下。

JZ1投產(chǎn)初期，放空量為0.265 7萬方/d，火炬偶爾產(chǎn)生少量黑煙，當(dāng)前火炬放空量為0.358 8萬方/d，經(jīng)觀察火炬依然是偶爾產(chǎn)生黑煙，不過黑煙的量未有增大趨勢。

JZ3油田根據(jù)現(xiàn)場觀察，沒有黑煙現(xiàn)象。

其他油田如S1油田現(xiàn)場觀測也偶爾有黑煙問題，其天然氣組分中也發(fā)現(xiàn)重組分含量較高，平均含量超過6%，該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中產(chǎn)生黑煙現(xiàn)象的臨界值的研究是吻合的。

4 海上油田火炬黑煙問題總結(jié)與對策

4.1 天然氣組分問題

除了“乙烷乙烯乙炔燃燒實驗現(xiàn)象分析及其探討”一文對高含碳組分引起燃燒不充分這個認(rèn)識進(jìn)行否定外，從油田現(xiàn)場和其他研究人員的觀點看C3+重組分的存在帶來黑煙問題觀點是被普遍認(rèn)可的，從遼東作業(yè)區(qū)SZ36-1油田和JZ25-1油田的天然氣組分情況看都在6%以上，雖然當(dāng)前沒有比較確定的機(jī)理分析證明其內(nèi)在聯(lián)系，但是宏觀現(xiàn)象上卻證明了二者的關(guān)聯(lián)性，因此，從分離工藝角度減少放空天然氣中重組分的含量是一個重要手段。

4.2 低放空量問題

放空量較低情況下發(fā)生黑煙問題從現(xiàn)場的觀察印證了其客觀存在，一個解釋為排量越低出口速度低，因此與空氣混合也較慢，不利于充分燃燒；文獻(xiàn)[4]提到的充分燃燒所需“熱值”問題也是一個重要理由。

對于放空量通常是難以控制的，因為平臺需要排放多少才燃燒多少，而不是需要燃燒多少反過來設(shè)計排放量。對于熱值不夠的問題，通過補(bǔ)充燃料提高反應(yīng)熱值應(yīng)該是一個可用的手段。

4.3 中間產(chǎn)物乙炔問題

從乙炔生成的條件看，天然氣燃燒過程中幾乎是無法避免（1 500 ℃），因此應(yīng)該從處理角度考慮，改善火炬頭設(shè)計缺陷，增加供氧能力是一個重要的手段，另外在黑煙無法避免條件下，改善火炬頭的除煙能力是另一個重要思路。

4.4 黑煙問題應(yīng)對策略

綜合文中的分析，黑煙問題的應(yīng)對從兩方面考慮，即預(yù)防和治理。預(yù)防主要通過分離工藝，治理主要從火炬頭結(jié)構(gòu)上，從供氧和除煙系統(tǒng)考慮。

5 結(jié)語

黑煙問題是天然氣放空火炬面臨的一個普遍現(xiàn)象，只有準(zhǔn)確把握其產(chǎn)生原因才有可能獲得合理治理措施，該文通過梳理天然氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程并結(jié)合油田現(xiàn)場的觀察，指出了黑煙問題的解決對策，為油田現(xiàn)場治理黑煙現(xiàn)象提供了有用的參考。

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